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2023年 54卷 第5期
PDF 21353KB
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2023, 54(5): 477-497.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-071
摘要
摘要:
断层相互作用与地震触发关系研究是震源物理学领域的热点问题，能够帮助认识强震的孕育过程与物理机理，在地震危险性分析与预测研究中也有良好的应用前景. 前人的综述文章从应力触发的基本原理、方法、适用性及多个震例研究的角度，提供了详细的阐述，然而从地震活动性分析这一角度对地震触发的介绍并不详尽，也未对这两个角度的结合和互补提供进一步的探讨. 本文从物理模型和统计模型两个角度，综述了过去几十年针对断层相互作用和地震触发机制研究的成果与进展；通过介绍速率-状态摩擦律，展现这一科学问题的内在统一性，并对目前存在的问题和未来的可能研究方向进行了梳理和展望. 从物理模型角度, 着重分析了断层相互作用来源的几个重要机制：静态应力触发、动态应力触发和黏弹性应力触发，以及计算的基本原理和方法. 在统计模型方面，介绍了地震活动性分析的基本原理和方法，重点分析了ETAS模型和b值在断层相互作用和地震触发机制中的应用. 从两个模型结合的角度，指出两者互相验证的统一内涵以及速率-状态摩擦律的基本原理和方法. 分析指出通过库仑应力计算和ETAS模型这两种不同的角度，可以综合研究多断层或地震之间的应力相互作用，并提供交叉验证，增加结果的可靠性；应用速率-状态摩擦律可以回溯性地研究地震序列的发生过程，为认识地震触发关系和断层相互作用提供了新的视角.
断层相互作用与地震触发关系研究是震源物理学领域的热点问题，能够帮助认识强震的孕育过程与物理机理，在地震危险性分析与预测研究中也有良好的应用前景. 前人的综述文章从应力触发的基本原理、方法、适用性及多个震例研究的角度，提供了详细的阐述，然而从地震活动性分析这一角度对地震触发的介绍并不详尽，也未对这两个角度的结合和互补提供进一步的探讨. 本文从物理模型和统计模型两个角度，综述了过去几十年针对断层相互作用和地震触发机制研究的成果与进展；通过介绍速率-状态摩擦律，展现这一科学问题的内在统一性，并对目前存在的问题和未来的可能研究方向进行了梳理和展望. 从物理模型角度, 着重分析了断层相互作用来源的几个重要机制：静态应力触发、动态应力触发和黏弹性应力触发，以及计算的基本原理和方法. 在统计模型方面，介绍了地震活动性分析的基本原理和方法，重点分析了ETAS模型和b值在断层相互作用和地震触发机制中的应用. 从两个模型结合的角度，指出两者互相验证的统一内涵以及速率-状态摩擦律的基本原理和方法. 分析指出通过库仑应力计算和ETAS模型这两种不同的角度，可以综合研究多断层或地震之间的应力相互作用，并提供交叉验证，增加结果的可靠性；应用速率-状态摩擦律可以回溯性地研究地震序列的发生过程，为认识地震触发关系和断层相互作用提供了新的视角.
2023, 54(5): 498-511.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-058
摘要:
震后早期快速、准确的余震预测对震后灾害风险应对和采取有效的处置措施十分重要. 震后早期阶段地震目录不完整性是影响现有余震预测方法快速、准确预测的关键因素. 近年来，随着技术和模型的发展，使得震后早期数据缺失阶段的余震预测成为可能. 本文针对震后早期数据缺失阶段难以开展有效的余震预测问题，分别从提升余震检测率角度阐述了匹配滤波技术和深度学习技术，从统计地震学的余震补齐角度阐述了双尺度变换技术，从最大限度利用余震信息实时预测角度阐述了Omi模型和Lippiello模型等研究进展，分析了各类方法的优劣势，并提出了综合解决震后早期数据缺失阶段余震预测“瓶颈期”问题的技术路线，为从事地震检测、余震预测以及震后趋势研判等相关工作的科研人员提供科学参考.
震后早期快速、准确的余震预测对震后灾害风险应对和采取有效的处置措施十分重要. 震后早期阶段地震目录不完整性是影响现有余震预测方法快速、准确预测的关键因素. 近年来，随着技术和模型的发展，使得震后早期数据缺失阶段的余震预测成为可能. 本文针对震后早期数据缺失阶段难以开展有效的余震预测问题，分别从提升余震检测率角度阐述了匹配滤波技术和深度学习技术，从统计地震学的余震补齐角度阐述了双尺度变换技术，从最大限度利用余震信息实时预测角度阐述了Omi模型和Lippiello模型等研究进展，分析了各类方法的优劣势，并提出了综合解决震后早期数据缺失阶段余震预测“瓶颈期”问题的技术路线，为从事地震检测、余震预测以及震后趋势研判等相关工作的科研人员提供科学参考.
2023, 54(5): 512-531.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-038
摘要:
地震应力降标志震源破裂过程中作用在断层系统上的应力释放水平，是刻画震源物理过程和预测震源辐射特性的重要参数. 地震应力降主要受控于构造环境、震源机制和地震类型等. 观测得到的应力降还受到观测频带的影响，所以它的绝对值难以准确测定. 采用体波、面波以及零频观测（大地测量、GPS、InSAR）等不同类型的数据获得的应力降也存在差异. 对于地震波数据，通常采用间接方法去除传播路径中的衰减效应并获得震源激发谱，进而估计应力降. 随着宽频带地壳Lg波衰减模型的建立，可以构建直接校正路径衰减的方法，从而获得对Lg波震源激发函数的准确估计. 进而通过对观测和理论震源谱的拟合获得整个地震序列中各个地震的标量地震矩、拐角频率和高频下降率等震源参数，再根据断层模型计算应力降. 本文分别以青藏高原东缘典型的构造地震2017年Ms7.0九寨沟地震和潜在的工业注水诱发地震2019年Ms6.0长宁地震为例，计算两个地震序列应力降的时-空变化过程，探索构造地震与诱发地震之间的潜在的物理差异. 2017年九寨沟地震的主震应力降为27 MPa，余震震级和应力降均呈快速下降趋势. 2019年长宁地震的主震应力降为32 MPa，余震序列的应力降以起伏形式缓慢下降，并曾出现过与主震应力降数值相当的余震. 这一现象主要来源于长宁地区长期的工业注水干扰了区域应力场，提升了断层内的流体静压力并降低了断层滑动的驱动应力. 这一过程需经过震后较长的时间才能恢复. 上述两个地震序列具有相似的主震应力降但属于完全不同的类型，说明在该区域无法通过单独观测主震应力降来区分构造与诱发地震，而通过研究整个序列中应力降的时-空发展过程则有可能揭示出与此有关的进一步信息.
地震应力降标志震源破裂过程中作用在断层系统上的应力释放水平，是刻画震源物理过程和预测震源辐射特性的重要参数. 地震应力降主要受控于构造环境、震源机制和地震类型等. 观测得到的应力降还受到观测频带的影响，所以它的绝对值难以准确测定. 采用体波、面波以及零频观测（大地测量、GPS、InSAR）等不同类型的数据获得的应力降也存在差异. 对于地震波数据，通常采用间接方法去除传播路径中的衰减效应并获得震源激发谱，进而估计应力降. 随着宽频带地壳Lg波衰减模型的建立，可以构建直接校正路径衰减的方法，从而获得对Lg波震源激发函数的准确估计. 进而通过对观测和理论震源谱的拟合获得整个地震序列中各个地震的标量地震矩、拐角频率和高频下降率等震源参数，再根据断层模型计算应力降. 本文分别以青藏高原东缘典型的构造地震2017年Ms7.0九寨沟地震和潜在的工业注水诱发地震2019年Ms6.0长宁地震为例，计算两个地震序列应力降的时-空变化过程，探索构造地震与诱发地震之间的潜在的物理差异. 2017年九寨沟地震的主震应力降为27 MPa，余震震级和应力降均呈快速下降趋势. 2019年长宁地震的主震应力降为32 MPa，余震序列的应力降以起伏形式缓慢下降，并曾出现过与主震应力降数值相当的余震. 这一现象主要来源于长宁地区长期的工业注水干扰了区域应力场，提升了断层内的流体静压力并降低了断层滑动的驱动应力. 这一过程需经过震后较长的时间才能恢复. 上述两个地震序列具有相似的主震应力降但属于完全不同的类型，说明在该区域无法通过单独观测主震应力降来区分构造与诱发地震，而通过研究整个序列中应力降的时-空发展过程则有可能揭示出与此有关的进一步信息.
2023, 54(5): 532-540.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-072
摘要:
速度脉冲型地震动对近断层区域工程结构有特殊的破坏作用，是造成近断层区域震害的主要影响因素之一. 开展近断层速度脉冲型地震动研究对揭示近断层区域工程结构的地震破坏机理、开展抗震设防以及抗震设计具有重要价值. 速度脉冲的有效识别是关键环节，主要历经定性、半定量、定量的过程. 其中定量识别方法具有可重复性、可批量处理等优点，越来越受到广泛认可和应用. 然而目前定量速度脉冲识别方法尚未有统一的、明确的判别原则. 本文从识别条件、基本原理、关键步骤、应用范围等方面系统总结并详细介绍了目前国内外常用的三类定量速度脉冲识别方法，即基于连续小波变换的速度脉冲识别方法、基于能量的速度脉冲识别方法以及多速度脉冲定量识别方法，并推荐了这三类方法中的代表方法，分析了其优缺点. 分析指出速度脉冲识别方法的不同，本质是速度脉冲主要特征波形的提取手段以及量化的判别标准的不同. 各种方法都有自身的优势，但由于速度脉冲记录波形的不稳定性，没有任何一种方法可以达到百分之百的识别率. 此外，现有的定量识别方法都是基于信号处理方法和脉冲特性基本原理，并未考虑速度脉冲产生机制. 因此需要综合上述三点来综合判别速度脉冲，形成完善的脉冲判别体系. 最后，探讨了定量的速度脉冲识别方法进一步提升的关键问题和研究重点.
速度脉冲型地震动对近断层区域工程结构有特殊的破坏作用，是造成近断层区域震害的主要影响因素之一. 开展近断层速度脉冲型地震动研究对揭示近断层区域工程结构的地震破坏机理、开展抗震设防以及抗震设计具有重要价值. 速度脉冲的有效识别是关键环节，主要历经定性、半定量、定量的过程. 其中定量识别方法具有可重复性、可批量处理等优点，越来越受到广泛认可和应用. 然而目前定量速度脉冲识别方法尚未有统一的、明确的判别原则. 本文从识别条件、基本原理、关键步骤、应用范围等方面系统总结并详细介绍了目前国内外常用的三类定量速度脉冲识别方法，即基于连续小波变换的速度脉冲识别方法、基于能量的速度脉冲识别方法以及多速度脉冲定量识别方法，并推荐了这三类方法中的代表方法，分析了其优缺点. 分析指出速度脉冲识别方法的不同，本质是速度脉冲主要特征波形的提取手段以及量化的判别标准的不同. 各种方法都有自身的优势，但由于速度脉冲记录波形的不稳定性，没有任何一种方法可以达到百分之百的识别率. 此外，现有的定量识别方法都是基于信号处理方法和脉冲特性基本原理，并未考虑速度脉冲产生机制. 因此需要综合上述三点来综合判别速度脉冲，形成完善的脉冲判别体系. 最后，探讨了定量的速度脉冲识别方法进一步提升的关键问题和研究重点.
2023, 54(5): 541-557.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-070
摘要:
太阳风-磁层耦合和地球空间的动力学过程是空间天气的基本驱动要素，在系统尺度上认知这些过程对于空间物理和空间天气的研究至关重要. 太阳风电荷交换（solar wind charge exchange, SWCX）机制的提出，为磁层大尺度特性研究提供了一种全新的探测方式，即地球磁层的软X射线成像. SWCX发生在太阳风中的高价态重离子（例如C6+、N7+、O7+、O8+等）和中性原子或分子（例如地球空间中的中性氢原子，日球层中的中性氢原子和氦原子，彗星和其它行星上的水分子、CO2等）发生碰撞时. 太阳风离子得到一个或多个电子后进入激发态，随后在回到基态的过程中释放出一个或多个软X射线波段的光子. 地球磁层的SWCX软X射线辐射主要发生在日侧的磁鞘和极尖区，因此利用软X射线大范围成像技术可以对磁层进行远距离全景成像，从而在大尺度上认知太阳风-磁层相互作用的基本模式. 在此背景下，中欧联合空间科学卫星计划太阳风-磁层相互作用全景成像卫星（Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer, SMILE）得到立项和实施. SMILE卫星将针对日下点附近区域的磁层顶、弓激波、部分极尖区和地球极光进行成像探测，同时对太阳风等离子体和磁场进行原位测量. SMILE卫星计划于2024—2025年发射. 本文将阐述地球磁层软X射线辐射的机制、回顾磁层软X射线辐射观测证据及辐射特性方面的研究、总结磁层信号的模拟仿真进展、介绍磁层成像探测计划，并提出未来行星磁层软X射线成像探测的概念.
太阳风-磁层耦合和地球空间的动力学过程是空间天气的基本驱动要素，在系统尺度上认知这些过程对于空间物理和空间天气的研究至关重要. 太阳风电荷交换（solar wind charge exchange, SWCX）机制的提出，为磁层大尺度特性研究提供了一种全新的探测方式，即地球磁层的软X射线成像. SWCX发生在太阳风中的高价态重离子（例如C6+、N7+、O7+、O8+等）和中性原子或分子（例如地球空间中的中性氢原子，日球层中的中性氢原子和氦原子，彗星和其它行星上的水分子、CO2等）发生碰撞时. 太阳风离子得到一个或多个电子后进入激发态，随后在回到基态的过程中释放出一个或多个软X射线波段的光子. 地球磁层的SWCX软X射线辐射主要发生在日侧的磁鞘和极尖区，因此利用软X射线大范围成像技术可以对磁层进行远距离全景成像，从而在大尺度上认知太阳风-磁层相互作用的基本模式. 在此背景下，中欧联合空间科学卫星计划太阳风-磁层相互作用全景成像卫星（Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer, SMILE）得到立项和实施. SMILE卫星将针对日下点附近区域的磁层顶、弓激波、部分极尖区和地球极光进行成像探测，同时对太阳风等离子体和磁场进行原位测量. SMILE卫星计划于2024—2025年发射. 本文将阐述地球磁层软X射线辐射的机制、回顾磁层软X射线辐射观测证据及辐射特性方面的研究、总结磁层信号的模拟仿真进展、介绍磁层成像探测计划，并提出未来行星磁层软X射线成像探测的概念.
2023, 54(5): 558-571.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-045
摘要:
由等离子体层嘶声波引起的电子散射效应是地球内磁层电子损失的重要机制，也是地球内外辐射带间槽区形成的主要原因. 在量化嘶声波对高能电子散射效应的研究过程中，冷等离子体近似下的嘶声波色散关系被广泛应用. 然而在实际磁层等离子体环境中，热等离子体成分的存在会修正嘶声波的色散特性，进而也会影响嘶声波对高能电子的散射效应. 本文主要介绍了热等离子体影响嘶声波色散特性及其对电子散射效应的相关研究. 基于卫星波动观测数据的统计分析结果证实了热等离子体效应对嘶声波色散特性的修正作用；通过典型事例分析以及基于准线性理论的数值计算，分析了嘶声波散射高能电子对地磁活动条件和热等离子体参数（电子温度各向异性、热电子温度以及热电子占比）的依赖性. 结果表明，冷等离子体假设会高估100 keV以下能量电子以及较大投掷角范围内100 keV以上能量电子的散射系数，而低估较低投掷角范围内100 keV以上能量电子的散射系数. 此外，冷等离子体假设下共振区间会扩展到更低能量的电子，而基于观测的色散曲线结果则使100 keV以上电子与嘶声波的共振范围扩展到更小的投掷角区间. 随着热等离子体参数的增大，冷等离子体近似与热等离子体环境下的散射系数差异也逐渐增大. 相关研究结果对于模拟实际等离子体环境中嘶声波对电子的散射过程以及辐射带的动态演化具有重要意义.
由等离子体层嘶声波引起的电子散射效应是地球内磁层电子损失的重要机制，也是地球内外辐射带间槽区形成的主要原因. 在量化嘶声波对高能电子散射效应的研究过程中，冷等离子体近似下的嘶声波色散关系被广泛应用. 然而在实际磁层等离子体环境中，热等离子体成分的存在会修正嘶声波的色散特性，进而也会影响嘶声波对高能电子的散射效应. 本文主要介绍了热等离子体影响嘶声波色散特性及其对电子散射效应的相关研究. 基于卫星波动观测数据的统计分析结果证实了热等离子体效应对嘶声波色散特性的修正作用；通过典型事例分析以及基于准线性理论的数值计算，分析了嘶声波散射高能电子对地磁活动条件和热等离子体参数（电子温度各向异性、热电子温度以及热电子占比）的依赖性. 结果表明，冷等离子体假设会高估100 keV以下能量电子以及较大投掷角范围内100 keV以上能量电子的散射系数，而低估较低投掷角范围内100 keV以上能量电子的散射系数. 此外，冷等离子体假设下共振区间会扩展到更低能量的电子，而基于观测的色散曲线结果则使100 keV以上电子与嘶声波的共振范围扩展到更小的投掷角区间. 随着热等离子体参数的增大，冷等离子体近似与热等离子体环境下的散射系数差异也逐渐增大. 相关研究结果对于模拟实际等离子体环境中嘶声波对电子的散射过程以及辐射带的动态演化具有重要意义.
2023, 54(5): 572-580.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-062
摘要:
作为反映地球自转速率累积变化的参数（世界时UT1-UTC）和时变特性的参数（日长变化ΔLOD），UT1-UTC在现实项目中有重要应用，而ΔLOD则主要用于科学研究，联合两者探讨地球自转速率变化的规律有重要的意义. 本工作针对近50年的世界时观测数据分析其特性，重点关注近期出现的异常现象：2020年5月以来，地球自转趋势由原来的长期减慢逆转为加快；同时对日长变化序列进行分解，分析地球自转速率变化的可能激发源，并评估其中的气候因素对近期地球自转加快的贡献. 结果表明，扣除其他影响因素后，日长年际项与气候变化指数表现出高度的一致性；近三年期间，检测到两次中等强度的拉尼娜事件以及第二次事件的延续，其对近期地球自转加快的贡献大约为9%.
作为反映地球自转速率累积变化的参数（世界时UT1-UTC）和时变特性的参数（日长变化ΔLOD），UT1-UTC在现实项目中有重要应用，而ΔLOD则主要用于科学研究，联合两者探讨地球自转速率变化的规律有重要的意义. 本工作针对近50年的世界时观测数据分析其特性，重点关注近期出现的异常现象：2020年5月以来，地球自转趋势由原来的长期减慢逆转为加快；同时对日长变化序列进行分解，分析地球自转速率变化的可能激发源，并评估其中的气候因素对近期地球自转加快的贡献. 结果表明，扣除其他影响因素后，日长年际项与气候变化指数表现出高度的一致性；近三年期间，检测到两次中等强度的拉尼娜事件以及第二次事件的延续，其对近期地球自转加快的贡献大约为9%.
2023, 54(5): 581-586.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-061
摘要:
乌克兰地球遥感卫星SiCH-2由2011年发射升空，目前已停止工作，处于失效失控状态，作为空间碎片目标由北美防空司令部（NORAD）提供两行根数（TLE）预报. 本文分析了光学系统的“猫眼”效应，以上海天文台卫星激光测距（SLR）系统实现对SiCH-2卫星进行激光测距，测量回波强度大，测距精度优于10 cm. 测距能力表明SiCH-2对激光反射回波达到合作目标带反射器的卫星激光测距水平，与光电探测设备“猫眼”效应分析的探测能力相当，测距数据结果表明该卫星处于自转状态，自转周期为4.3 s. 本文国内外首次实现基于“猫眼”效应对在轨目标的激光测距，为远距离空间目标的探测提供了新的方法，促进高精度激光探测技术的应用发展，有利于对失效或轨道异常的光学系统类光电探测系列卫星进行监视监测.
乌克兰地球遥感卫星SiCH-2由2011年发射升空，目前已停止工作，处于失效失控状态，作为空间碎片目标由北美防空司令部（NORAD）提供两行根数（TLE）预报. 本文分析了光学系统的“猫眼”效应，以上海天文台卫星激光测距（SLR）系统实现对SiCH-2卫星进行激光测距，测量回波强度大，测距精度优于10 cm. 测距能力表明SiCH-2对激光反射回波达到合作目标带反射器的卫星激光测距水平，与光电探测设备“猫眼”效应分析的探测能力相当，测距数据结果表明该卫星处于自转状态，自转周期为4.3 s. 本文国内外首次实现基于“猫眼”效应对在轨目标的激光测距，为远距离空间目标的探测提供了新的方法，促进高精度激光探测技术的应用发展，有利于对失效或轨道异常的光学系统类光电探测系列卫星进行监视监测.
